RU2532825C2

RU2532825C2 - Diagnostics method of piston packing of internal combustion engine as per indicator diagram

Info

Publication number: RU2532825C2
Application number: RU2013109292/06A
Authority: RU
Inventors: Михаил Григорьевич Рыбаков
Original assignee: Михаил Григорьевич Рыбаков
Priority date: 2013-03-01
Filing date: 2013-03-01
Publication date: 2014-11-10
Also published as: RU2013109292A

Abstract

FIELD: measurement equipment.

SUBSTANCE: method can be applied at operation of ICE with indicator diagram recording devices. In order to perform diagnostics of a piston packing, an indicator diagram is recorded in a cylinder in the specified operating mode of the engine. Recording is performed at switched-off fuel feed to the cylinder being diagnosed. Pressure is measured in the diagram at the specified point in an expansion line. The measured value is used for diagnostics. Technical result consists in sufficient improvement of diagnose accuracy. Improvement is achieved due to optimum selection of a location of a measurement point. Selection of the point in a limited section of the expansion line is optimum. Section boundaries - 5 to 15 degrees of turn of a crank shaft from an upper dead point. Pressure in the cylinder in this section mostly responds to the change in technical state of the piston packing.

EFFECT: improvement of defect diagnostics accuracy.

2 cl, 1 tbl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области испытаний двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и может быть использовано для диагностирования поршневых уплотнений ДВС при их эксплуатации.The invention relates to the field of testing internal combustion engines (ICE) and can be used to diagnose piston seals of ICE during their operation.

Известны способы диагностирования ДВС с использованием индикаторной диаграммы (патенты RU 2246103 C1, 10.02.2005 и RU 2451276 C1, 22.02.2011). Однако эти способы относятся к двигателю в целом и не углубляются до уровня узлов двигателя, в частности до диагностирования поршневых уплотнений.Known methods for diagnosing ICE using the indicator diagram (patents RU 2246103 C1, 02/10/2005 and RU 2451276 C1, 02/22/2011). However, these methods relate to the engine as a whole and do not go down to the level of engine components, in particular to diagnosing piston seals.

Известен способ диагностирования поршневых уплотнений ДВС, осуществляемый на работающем двигателе при отключении подачи топлива в диагностируемый цилиндр, - компрессионный способ (Голуб Е.С., Мадорский Е.З., Розенберг Г.Ш. Диагностирование судовых технических средств: Справочник. - М.: Транспорт, 1993. - 150 с., стр.106 - 107). Суть его заключается в том, что изменение технического состояния поршневого уплотнения определяют по изменению диагностического параметра от его эталонного значения, соответствующего новому уплотнению, до предельного значения, соответствующего неисправному уплотнению. В качестве диагностического параметра используют отношение абсолютных давлений p₂/p₁. Здесь p₁ - давление воздуха на входе в двигатель без наддува или давление в ресивере наддувочного воздуха двигателя с наддувом на режиме диагностирования, p₂ - давление, измеренное в заданной точке процесса, происходящего в надпоршневом объеме на назначенном режиме диагностирования двигателя при выключенной подаче топлива в диагностируемый цилиндр. Заданной является точка, расположенная на линии сжатия, в которой давление достигает своего максимального значения. Давление p₂ измеряют по индикаторной диаграмме или с помощью максиметра. Компрессионным способом выявляют наличие значительных дефектов поршневого уплотнения (например, залегание и поломку нескольких колец). Однако использование его в современной системе технического обслуживания и ремонта, подразумевающей выявление дефектов, контроль их развития и своевременное устранение, не всегда дает положительный эффект. Причиной этого является недостаток компрессионного способа - низкая точность диагноза, обусловленная его слабой чувствительностью к изменению технического состояния уплотнения.A known method for the diagnosis of internal combustion engine piston seals, carried out on a running engine when the fuel supply to the diagnosed cylinder is turned off, is a compression method (Golub ES, Madorsky EZ, Rosenberg G.Sh. Diagnostics of ship technical means: Reference. - M. : Transport, 1993 .-- 150 p., Pp. 106 - 107). Its essence lies in the fact that the change in the technical condition of the piston seal is determined by the change in the diagnostic parameter from its reference value corresponding to the new seal to the limit value corresponding to the faulty seal. As a diagnostic parameter, the absolute pressure ratio p ₂ / p _{1 is used} . Here p ₁ is the air pressure at the engine inlet without pressurization or the pressure in the receiver of the charge air of the engine with pressurization in the diagnostic mode, p ₂ is the pressure measured at a given point in the process occurring in the over-piston volume at the designated engine diagnostic mode when the fuel supply is off in diagnosed cylinder. The set point is located on the compression line at which the pressure reaches its maximum value. Pressure p _{2 is} measured by an indicator diagram or by using a maximeter. The compression method reveals the presence of significant defects in the piston seal (for example, occurrence and breakage of several rings). However, its use in a modern system of maintenance and repair, which involves the identification of defects, monitoring their development and timely elimination, does not always give a positive effect. The reason for this is the disadvantage of the compression method - the low accuracy of the diagnosis, due to its weak sensitivity to changes in the technical condition of the seal.

Задачей изобретения является создание способа диагностирования поршневого уплотнения ДВС по индикаторной диаграмме с чувствительностью, обеспечивающей выявление дефектов и контроль их развития для своевременного устранения при достижении допустимого предела.The objective of the invention is to provide a method for diagnosing a piston seal of an internal combustion engine according to an indicator diagram with sensitivity, which ensures the identification of defects and the control of their development for timely elimination when the acceptable limit is reached.

Задача решается следующим образом. Прототипом выбран компрессионный способ. В заявляемом способе, как и в прототипе, изменение технического состояния поршневого уплотнения контролируют по изменению диагностического параметра от его эталонного значения, соответствующего новому уплотнению, до предельного значения, соответствующего неисправному уплотнению. В качестве диагностического параметра используют отношение абсолютных давлений p₂/p₁. Здесь p₁ - давление воздуха на входе в двигатель без наддува или давление в ресивере наддувочного воздуха двигателя с наддувом на режиме диагностирования, p₂ - давление, измеренное по индикаторной диаграмме в заданной точке процесса, происходящего в надпоршневом объеме на назначенном режиме диагностирования двигателя при отключенной подаче топлива в диагностируемый цилиндр. Отличие заявляемого способа от прототипа состоит в том, что точку, в которой измеряют давление p₂, задают на линии расширения не менее чем в одном и не более чем в двадцати пяти градусах поворота коленчатого вала от верхней мертвой точки (ВМТ). При этом наилучший технический результат получают, задавая точку измерения давления p₂ на линии расширения не менее чем в пяти и не более чем в пятнадцати градусах поворота коленчатого вала от ВМТ.The problem is solved as follows. The prototype selected a compression method. In the inventive method, as in the prototype, the change in the technical condition of the piston seal is controlled by a change in the diagnostic parameter from its reference value corresponding to the new seal to the limit value corresponding to the faulty seal. As a diagnostic parameter, the absolute pressure ratio p ₂ / p _{1 is used} . Here p ₁ is the air pressure at the engine inlet without pressurization or the pressure in the receiver of the charge air of the supercharged engine in the diagnostic mode, p ₂ is the pressure measured in the indicator diagram at a given point in the process occurring in the over-piston volume at the designated engine diagnostic mode when the engine is switched off fuel supply to the diagnosed cylinder. The difference of the proposed method from the prototype is that the point at which the pressure p ₂ is measured is set on the expansion line in at least one and not more than twenty-five degrees of crankshaft rotation from top dead center (TDC). In this case, the best technical result is obtained by setting the pressure measurement point p ₂ on the expansion line at least five and no more than fifteen degrees of crankshaft rotation from TDC.

Технический результат заключается в повышении точности диагноза до уровня, позволяющего выявлять дефекты уплотнения и контролировать их развитие для своевременного устранения при достижении допустимого предела. Результат достигается за счет того, что диагностический параметр измеряют на том участке индикаторной диаграммы, который в наибольшей степени реагирует на изменение технического состояния поршневого уплотнения.The technical result is to increase the accuracy of the diagnosis to a level that allows you to identify defects in the seal and control their development for timely elimination when the acceptable limit is reached. The result is achieved due to the fact that the diagnostic parameter is measured in that part of the indicator diagram, which is most responsive to changes in the technical condition of the piston seal.

Обоснованность выбранного технического решения поясняется описанием физического процесса, происходящего в поршневом уплотнении на тактах сжатия - расширения при нахождении поршня в районе ВМТ. Процесс, о котором идет речь, - обмен массой воздушного заряда, происходящий между надпоршневым объемом и примыкающими к нему объемами камер поршневого уплотнения (далее - массообмен). Упоминание о массообмене есть в литературе (Семенов B.C., Трофимов П.С. Долговечность цилиндро-поршневой группы судовых дизелей. М.: Транспорт, 1969. - 216 с., стр.33 - 38). Закономерности массообмена, учитываемые в заявленном способе, изложены ниже. Массообмен включает в себя два этапа. Первый этап - перетекание массы заряда воздуха из надпоршневого объема в поршневое уплотнение. Он имеет место на ходе сжатия, когда давление над поршнем растет быстрее, чем в уплотнении, и на начальной части хода расширения, пока давление над поршнем выше, чем в уплотнении. Первый этап заканчивается при выравнивании давлений над поршнем и под верхним работающим кольцом. Выравнивание происходит при расширении на участке от пяти до пятнадцати градусов поворота вала от ВМТ. В конце первого этапа масса воздушного заряда в надпоршневом объеме минимальна. Второй этап - возврат массы из уплотнения в надпоршневой объем. Возврат начинается с того момента, когда давление над поршнем становится ниже давления в уплотнении, активно происходит в верхней части хода и продолжается до открытия выпускных органов. Изменение массы в надпоршневом объеме вызывает пропорциональное изменение давления в этом объеме, фиксируемое индикаторной диаграммой. Наиболее существенное изменение давления, вызванное массообменом, происходит на такте расширения от его начала до 25 градуса поворота вала от ВМТ, причем максимум изменения располагается в районе 5-15 градусов от ВМТ. Интенсивность массообмена зависит от состояния поршневого уплотнения. Износ втулки, поршневых колец, поршневых канавок, залегание и поломка колец увеличивают объем камер поршневого уплотнения и площадь проходов между ними и надпоршневым объемом. Рост объема и площади проходов увеличивают массообмен и уменьшают давление на упомянутом выше участке индикаторной диаграммы. Величина давления на данном участке используется для оценки состояния уплотнения в заявляемом способе. Заявляемый способ осуществляют следующим образом. У двигателя, работающего на назначенном диагностическом режиме, например на режиме холостого хода, определяют давление p₁ - давление воздуха на входе в двигатель без наддува или давление в ресивере наддувочного воздуха двигателя с наддувом, используя в первом случае барометр, во втором случае - барометр и штатный манометр на ресивере. Отключают подачу топлива в диагностируемый цилиндр. В диагностируемом цилиндре записывают индикаторную диаграмму, развернутую по углу вращения коленчатого вала, любым предназначенным для такой записи индикатором. На диаграмме измеряют давление в заданной точке поворота коленчатого вала. Измеренное давление используют для вычисления диагностического параметра p₂/p₁. Полученное значение диагностического параметра сравнивают с эталонным и предельным. По результату сравнения определяют текущее состояние поршневого уплотнения и его остаточный ресурс. На чертеже представлены фрагменты двух индикаторных диаграмм, записанных при выключенной подаче топлива на назначенном режиме диагностирования, в данном случае - на холостом ходу. На чертеже обозначено:The validity of the selected technical solution is illustrated by a description of the physical process that occurs in the piston seal on compression strokes - expansion when the piston is in the vicinity of the TDC. The process in question is the exchange of mass of an air charge occurring between the over-piston volume and the adjacent volumes of the piston seal chambers (hereinafter referred to as mass transfer). Mention of mass transfer is in the literature (Semenov BC, Trofimov P.S. Durability of the cylinder-piston group of marine diesel engines. M .: Transport, 1969. - 216 p., Pp. 33 - 38). The patterns of mass transfer, taken into account in the claimed method, are described below. Mass transfer involves two stages. The first stage is the flow of the mass of air charge from the above-piston volume into the piston seal. It occurs during compression, when the pressure above the piston increases faster than in the seal, and at the initial part of the expansion stroke, while the pressure above the piston is higher than in the seal. The first stage ends when the pressure is equalized above the piston and under the upper working ring. Alignment occurs when expanding on a plot of five to fifteen degrees of rotation of the shaft from TDC. At the end of the first stage, the mass of the air charge in the over-piston volume is minimal. The second stage is the return of the mass from the seal to the over-piston volume. The return begins from the moment when the pressure above the piston becomes lower than the pressure in the seal, actively occurs in the upper part of the stroke and continues until the opening of the exhaust organs. The change in mass in the over-piston volume causes a proportional change in pressure in this volume, fixed by the indicator diagram. The most significant change in pressure caused by mass transfer occurs at the expansion stroke from its beginning to 25 degrees of shaft rotation from TDC, with a maximum of change located in the region of 5-15 degrees from TDC. The mass transfer rate depends on the state of the piston seal. Wear of the sleeve, piston rings, piston grooves, occurrence and breakage of the rings increase the volume of the piston seal chambers and the area of the passages between them and the piston volume. An increase in the volume and area of the passages increases the mass transfer and reduces the pressure in the aforementioned section of the indicator diagram. The pressure on this site is used to assess the state of the seal in the inventive method. The inventive method is as follows. For an engine operating in the prescribed diagnostic mode, for example, at idle, the pressure p ₁ is determined as the air pressure at the engine inlet without pressurization or the pressure in the charge air receiver of the engine with pressurization, using in the first case a barometer, in the second case, a barometer and standard pressure gauge on the receiver. Turn off the fuel supply to the diagnosed cylinder. In the diagnosed cylinder, an indicator diagram is recorded, rotated by the angle of rotation of the crankshaft, by any indicator intended for such recording. The diagram measures the pressure at a given turning point of the crankshaft. The measured pressure is used to calculate the diagnostic parameter p ₂ / p ₁ . The obtained value of the diagnostic parameter is compared with the reference and limit. The result of the comparison determines the current state of the piston seal and its residual life. The drawing shows fragments of two indicator diagrams recorded with the fuel off at the designated diagnostic mode, in this case, at idle. The drawing indicates:

1 - диаграмма, полученная в цилиндре с новым комплектом деталей цилиндропоршневой группы (втулкой, поршнем, поршневыми кольцами) и соответствующая эталонному состоянию поршневого уплотнения;1 is a diagram obtained in a cylinder with a new set of parts of a cylinder-piston group (sleeve, piston, piston rings) and corresponding to the reference state of the piston seal;

2 - диаграмма, полученная в цилиндре с предельно изношенным комплектом деталей цилиндропоршневой группы и соответствующая предельному состоянию поршневого уплотнения.2 is a diagram obtained in a cylinder with an extremely worn set of parts for a piston and cylinder group and corresponding to the limit state of the piston seal.

Круглыми маркерами на диаграммах обозначены точки, в которых измеряют давление p₂ по способу, описанному в прототипе. Квадратными маркерами обозначены точки, в которых измеряют давление p₂ по заявляемому способу.The round markers on the diagrams indicate the points at which pressure p ₂ is measured by the method described in the prototype. Square markers indicate the points at which pressure p ₂ is measured by the present method.

В таблице представлены значения давления p₂, измеренные в отмеченных маркерами точках, и значения диагностического параметра, рассчитанные при давлении наддува, измеренном на режиме диагностирования (p₁=114 кПа или 1,14 бара). Из таблицы видно, что изменение технического состояния поршневого уплотнения от эталонного до предельного вызывает уменьшение значения диагностического параметра. При измерениях и расчетах по способу, применяемому в прототипе, уменьшение составляет 7,9%. При измерениях и расчетах по заявляемому способу уменьшение составляет 20%. Сравнение показывает повышение чувствительности заявляемого способа примерно в 2,5 раза.The table shows the pressure values p ₂ measured at the points marked with markers and the values of the diagnostic parameter calculated at the boost pressure measured in the diagnostic mode (p ₁ = 114 kPa or 1.14 bar). The table shows that the change in the technical condition of the piston seal from the reference to the limit causes a decrease in the value of the diagnostic parameter. When measuring and calculating the method used in the prototype, the decrease is 7.9%. When measuring and calculating the present method, the decrease is 20%. The comparison shows an increase in the sensitivity of the proposed method by about 2.5 times.

ТаблицаTable ДиаграммаDiagram ПараметрParameter Значение параметраParameter value ПрототипPrototype Заявляемый способThe inventive method Диаграмма эталонного состоянияReference state diagram Координата заданной точки, градусы поворота вала от ВМТCoordinate of a given point, degrees of rotation of the shaft from TDC 00 1010 Давление в заданной точке p₂, барыPressure at a given point p ₂ , bars 38,838.8 33,133.1 Диагностический параметр, p₂/p₁ Diagnostic parameter, p ₂ / p ₁ 38,8/1,14=3438.8 / 1.14 = 34 33,1/1,14=2933.1 / 1.14 = 29 Диаграмма предельного состоянияLimit state diagram Координата заданной точки, градусы поворота вала от ВМТCoordinate of a given point, degrees of rotation of the shaft from TDC -3-3 1010 Давление в заданной точке p₂, барыPressure at a given point p ₂ , bars 35,735.7 26,526.5 Диагностический параметр, p₂/p₁ Diagnostic parameter, p ₂ / p ₁ 35,7/1,14=31,335.7 / 1.14 = 31.3 26,5/1,14=23,226.5 / 1.14 = 23.2 Результаты сравнения диаграммChart Comparison Results Изменение диагностического параметра относительно эталона, %The change in the diagnostic parameter relative to the standard,% -7,9-7.9 -20-twenty

Полезность заявляемого способа состоит в следующем. Часть судовых, тепловозных, промышленных ДВС оборудована стационарными устройствами, предназначенными для записи индикаторных диаграмм, или обслуживается переносными устройствами, предназначенными для той же цели. С помощью упомянутых устройств периодически записывают и обрабатывают индикаторные диаграммы. Результаты обработки используют для определения мощности двигателя, проверок его регулировки и диагностирования состояния топливной аппаратуры. Применение заявляемого способа при обработке индикаторных диаграмм позволяет без существенных затрат дополнительно к обычной информации, извлекаемой из диаграмм, получать качественный диагноз состояния поршневых уплотнений, на основе которого можно осуществлять их своевременный ремонт.The usefulness of the proposed method is as follows. Some ship, diesel, industrial ICEs are equipped with stationary devices designed to record indicator diagrams, or served by portable devices designed for the same purpose. Using these devices, indicator charts are periodically recorded and processed. The processing results are used to determine engine power, check its adjustment and diagnose the state of fuel equipment. The application of the proposed method in the processing of indicator diagrams allows, without significant costs, in addition to the usual information extracted from the diagrams, to obtain a qualitative diagnosis of the condition of the piston seals, on the basis of which it is possible to carry out timely repairs.

Claims

1. A method for diagnosing a piston seal of an internal combustion engine according to an indicator diagram, namely, that the change in the technical condition of the piston seal is determined by changing the diagnostic parameter from its reference value corresponding to the new seal to the limit value corresponding to a faulty seal, use the diagnostic parameter ratio of the absolute pressure p ₂ / p _1, where p ₁ - air pressure at the inlet of the engine without turbocharging or pressure in the receiver supercharging the engine air supercharged in diagnosing mode, p ₂ - the pressure measured by the indicator diagram at a given point of the process occurring in the overpiston screen at a designated engine diagnostics mode when the fuel supply to diagnosed cylinder, characterized in that the pressure measuring point p ₂ define on the expansion line in at least one and not more than twenty-five degrees of crankshaft rotation from top dead center.

2. The method according to claim 1, characterized in that the pressure measurement point p _{2 is} set on the expansion line at least five and no more than fifteen degrees of rotation of the crankshaft from top dead center.